1 概述
   氧泵液氧調(diào)節(jié)閥在空分系統(tǒng)中的入口壓力P1很高(因機(jī)組而異，最高可達(dá)9MPa），出口壓力P2非常低，在閥腔內(nèi)產(chǎn)生很大的壓降。普通調(diào)節(jié)閥在高壓下會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的氣蝕，短時(shí)間內(nèi)會(huì)損壞閥芯?？辗窒到y(tǒng)開(kāi)車時(shí)閥門(mén)無(wú)法調(diào)節(jié)，閥門(mén)無(wú)法正常關(guān)閉，導(dǎo)致系統(tǒng)控制失效。本文提出了通過(guò)工程熱流分析軟件提高閥門(mén)使用壽命和可靠性的方法EFD（Engineering Fluid Dynamics）數(shù)值模擬減壓模型，觀察其最大減壓能力和流場(chǎng)分布特性。
   2 失效原因分析
   故障液氧調(diào)節(jié)閥（圖1）拆卸后，發(fā)現(xiàn)閥桿斷裂，閥芯表面腐蝕成蜂窩狀。分析原因，主要是由于流體通過(guò)調(diào)節(jié)閥芯和閥座形成的節(jié)流端面，流量突然急劇增加，靜壓突然下降。如果節(jié)流端面后的壓力突然降低到介質(zhì)飽和蒸汽壓以下，則會(huì)產(chǎn)生閃光蒸汽，并侵蝕閥門(mén)內(nèi)部。當(dāng)節(jié)流后的壓力恢復(fù)到飽和蒸汽壓以上時(shí)，空化形成的氣體腐蝕具有很大的沖擊力，可達(dá)數(shù)千牛頓，嚴(yán)重沖擊和損壞閥芯、閥座和閥體。

   根據(jù)實(shí)際工況分析，所選控制閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)不能滿足閥門(mén)行程和工藝對(duì)泄漏等級(jí)的要求。在某些情況下，應(yīng)考慮適當(dāng)放大實(shí)際可能的壓差，即要求執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供更大的力。否則，當(dāng)工藝異常時(shí)，控制閥前后的實(shí)際壓差較大，有關(guān)閉或打開(kāi)的危險(xiǎn)。此時(shí)，為了控制系統(tǒng)的運(yùn)行，必須施加外力，因此閥桿在外力作用下會(huì)損壞。
   3 解決方案
   3.1 結(jié)構(gòu)改進(jìn)
   液氧調(diào)節(jié)閥使用壓差是避免空化的基本方法ΔP不超過(guò)最大允許壓差ΔPa，如果一級(jí)壓差大于最大允許壓差，則不允許每級(jí)降壓幅度大于最大允許壓差ΔPa，為了有效減少氣蝕，需要增加減壓等級(jí)。基于這一原理，采用多級(jí)節(jié)流閥芯結(jié)構(gòu)(圖2)。ΔPa為
   式中
   ΔPa——最大允許壓差，MPa
   FL——壓力恢復(fù)系數(shù)
   P1-入口壓力，MPa
   rc——臨界壓力比系數(shù)

   Pc——液體臨界壓力，MPa
   PV——液體飽和蒸汽壓在操作溫度下，MPa

   3.2 模擬和分析多級(jí)降壓流場(chǎng)
   液氧調(diào)節(jié)閥的壓力等級(jí)為900Lb，多級(jí)節(jié)流等級(jí)為三級(jí)，流量為72級(jí)m3/h。模型在數(shù)值計(jì)算中進(jìn)行了分析和假設(shè)。流動(dòng)介質(zhì)為水（表1），不能壓縮。閥內(nèi)水流的流動(dòng)狀態(tài)為湍流，采用k-計(jì)算湍流方程。氣穴發(fā)生的程度和性質(zhì)用氣穴系數(shù)來(lái)描述。
   式中
   δ——?dú)庋ㄏ禂?shù)
   P2-旁路閥體出口壓力，MPa
   為了判斷液氧調(diào)節(jié)閥在液體通過(guò)后的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為靜壓能的恢復(fù)能力，即液體產(chǎn)生阻塞流的臨界條件，將閥芯移動(dòng)到最大開(kāi)度位置，并將氧泵的最大流量作為入口的邊界條件。通過(guò)數(shù)值模擬進(jìn)出口的壓差是液氧調(diào)節(jié)閥的最大降壓能力。如果計(jì)算終止，則表明三級(jí)減壓結(jié)構(gòu)產(chǎn)生汽蝕，溶解在水中的氣體成為氣泡沉淀。當(dāng)循環(huán)能力達(dá)到最大值時(shí)，需要增加降壓水平。

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   由三維仿真計(jì)算得到液氧調(diào)節(jié)閥壓力場(chǎng)云圖（圖3）。在第一級(jí)減壓結(jié)構(gòu)的最小截面處壓力降到最低，經(jīng)過(guò)最小截流面后，壓力得到恢復(fù)，然后再經(jīng)過(guò)二級(jí)及三級(jí)降壓，使液氧調(diào)節(jié)閥承受的高壓差逐級(jí)減小而不會(huì)發(fā)生汽蝕。通過(guò)計(jì)算得到進(jìn)出口壓差約為10MPa，大于實(shí)際的9MPa，因此，設(shè)計(jì)的三級(jí)減壓結(jié)構(gòu)可以滿足工作條件的需要。云圖(圖)從速度分布
4)和痕跡圖(圖5)可以看出，介質(zhì)在每級(jí)最小截面處的流量最大，然后由于形狀的擴(kuò)大而減小。

   3.3 閥桿撓度強(qiáng)度
   失效調(diào)節(jié)閥桿(圖6)a）的許用載荷PA閥桿不能滿足設(shè)計(jì)要求，因此設(shè)計(jì)為階梯軸（圖6）b）。閥桿結(jié)構(gòu)尺寸L根據(jù)閥門(mén)行程確定，不得過(guò)長(zhǎng)。閥桿結(jié)構(gòu)尺寸L盡量設(shè)計(jì)長(zhǎng)度，以提高閥桿剛度。
   閥桿撓度強(qiáng)度包括閥桿柔度λ和材料柔度λp，閥桿的臨界載荷Per和許用載荷PA等

   
   式中
   μ——壓桿長(zhǎng)度系數(shù)（μ=1）
   E——材料彈性模量，MPa
   σp——極限強(qiáng)度的材料比例，MPa
   A——閥桿橫截面積，mm2
   N——安全系數(shù)（N=16）
   4 結(jié)束語(yǔ)
   采用多級(jí)節(jié)流串閥芯結(jié)構(gòu)后，可有效避免閃蒸和氣蝕對(duì)閥門(mén)的損壞。SOLIDWORKS和EFD軟件計(jì)算獲得了最大的減壓能力和循環(huán)能力。將閥桿設(shè)計(jì)成梯形，提高了閥桿的剛度。改進(jìn)后的高壓差液氧調(diào)節(jié)閥控制效果好，使用壽命長(zhǎng)。